燃料电池的控制装置 【技术领域】
本发明涉及燃料电池的控制装置，更特别地，在停止燃料电池时控制气压。
背景技术
停止燃料电池时，当防止燃料电池中由于燃料电极内部电阻增加和随后燃料电极与氧化剂电极间压差增加而发生的退化时，迅速停止用于燃料电极的气体和用于氧化剂电极的气体是必要的。
日本未审查专利公开2000-512069披露了一种防止电解质逐步退化的技术(此后称之为第一现有技术)，这种退化可归于电池内部电阻增加而引起的电流密度分布变化，电池内部电阻的增加是由于过量的氧引起氧化物敷层形成，通过封闭氧化剂电极边的供给阀门，以及在停止燃料电池事件中氧化剂电极边的氧压降低到预定值时封闭燃料电极边的供给阀门而导致电解质退化。
同时，日本未审查专利公开8(1996)-45527披露了一种在燃料电池紧急停止时防止燃料电极和氧化剂电极间压差增加的技术(此后称之为第二现有技术)，该技术被设计用于从燃料重整装置供给重整气，采取在持续空气鼓风机转动预定时间周期时使气体持续供给到氧化剂电极的方法。
【发明内容】
然而，在第一现有技术中用于氧化剂电极的气体被预先停止。因此，在供给氧化剂气体地结构(典型地由压缩机和压力调节阀组成)中，氧化剂电极边的气体压力突然降低，结果仍然在工作的燃料电极边的气压与氧化剂电极边的气压间的压差变得过量。因此，第一现有技术存在负担电解质恶化危险的问题。
同时，在第二现有技术中，在停止燃料电池时对氧化剂电极持续供给气体由定时器控制。然而，燃料电极上气压与氧化剂电极上气压之间压差的不同可能发生波动，这依赖于停止燃料电池事件中的操作条件。因此，尽管采用定时器进行控制，在停止对氧化剂电极供给气体之后不能保证压差维持在容忍的范围内，而且燃料电极与氧化剂电极之间的压差可能和第一现有技术中一样过量。因此，第二现有技术也存在负担使电解质恶化危险的问题。
考虑到前述的问题，本发明的目的就是提供燃料电池控制装置，这种装置在停止燃料电池时能够维持燃料电极与氧化剂电极之间压差处于可容忍的范围内，从而排除其中的电解质恶化的危险。
为了达到前述目的，本发明提供用于燃料电池的控制装置，该装置包括判断停止燃料电池程序启动的停止程序启动判断单元、基于来自于燃料电池停止程序启动判断单元的输出将燃料电极上的燃料气体控制到停止状态的燃料电极气体控制单元、探测燃料电极上气压的气压探测单元以及氧化剂电极气体控制单元，氧化剂电极气体控制单元用于控制氧化剂电极上气压从而使氧化剂电极上气压与燃料电极上气压之间的压差降低到基于来自于气压探测单元输出和来自于燃料电池停止程序启动判断单元输出的允许压差最大值之内，氧化剂电极气体控制单元还用于在气压探测单元探测到的气压达到大气压与允许压差的最大值之和后将氧化剂电极上的气压控制到大气压力。
【附图说明】
图1是根据本发明的燃料电池控制装置的基本结构视图。
图2是采用本发明具体实施方式的燃料电池系统的硬件结构视图。
图3是显示未采用本发明的燃料电池在停止事件中的气压随时间变化的时序图。
图4是显示采用本发明的燃料电池在停止事件中的气压随时间变化的时序图。
图5是用于解释根据具体实施方式控制器操作的总体流程图。
图6是用于解释根据具体实施方式停止氢控制的程序的详细流程图。
图7是另一个用于解释根据具体实施方式停止氢控制的程序的详细流程图。
图8是用于解释根据具体实施方式空气控制的程序的详细流程图。
【具体实施方式】
现在，将参照附图详细地描述关于根据本发明的燃料电池控制装置的具体实施方式。
图1中，燃料电池的控制装置包括判断停止燃料电池程序启动的停止程序启动判断单元101、基于来自于燃料电池停止程序启动判断单元101的输出将燃料电极上的燃料气体控制到停止状态的燃料电极气体控制单元102、探测燃料电极上气压的气压探测单元103以及氧化剂电极气体控制单元104，氧化剂电极气体控制单元104用于控制氧化剂电极上气压从而使氧化剂电极上气压与燃料电极上气压之间的压差降低到基于来自于气压探测单元103输出和来自于燃料电池停止程序启动判断单元101输出的允许的压差最大值之内，氧化剂电极气体控制单元104还用于在气压探测单元探测到的气压达到大气压力与允许压差的最大值之和后将氧化剂电极上的气压控制到大气压力。
图2是采用根据本发明的燃料电池控制装置具体实施方式的燃料电池系统的硬件结构视图。这里，燃料电池被应用于燃料电池车辆或者包括燃料电池的混合车辆的能源。
如图2所示，燃料电池包括燃料电池主体的燃料电池组201，它包括作为氧化剂电极的空气电极201a和燃料电极201b、湿度调节器202、压缩机203、贮存燃料氢气的高压氢罐215、控制高压氢流速的可变阀门204、控制压力和空气流速的节流器205、向外卸载氢的净化阀206、净化水泵207、使从燃料电池组201排出的氢循环回流的排出器208、获取燃料电池组201外部输出的驱动单元209、探测燃料电池入口处空气压力的空气压力传感器210、探测燃料电池入口处氢压力的氢压力传感器211、探测流入燃料电池的空气的流速的空气流速传感器212、探测流入燃料电池的氢的流速的氢流速传感器213、用于获取各传感器(210、211、212和213)信号以及根据内嵌的控制软件对燃料电池的各制动器(203、204、205和206)进行控制的控制器214。
压缩机203压缩和传送空气到湿度调节器202，湿度调节器202使用从净化水泵207供给的净化水将空气增湿。增湿后的空气被传送到燃料电池组201。
通过可变阀门204控制贮存在高压氢罐215中的氢气的流速，氢气在注射器208中与来自于燃料电极201b的废气合并。合并后的气体被传送到湿度调节器202。湿度调节器202使用从净化水泵207供给的净化水将氢气增湿，和空气一样，而且增湿后的氢气被传送到燃料电池组201的燃料电极201b。燃料电池组201通过促进空气与被送到那里的氢气的反应而产生电，并将电流(电能)供给到驱动单元209。
燃料电池组201上反应后的残余空气被排放到燃料电池外面。空气压力由节流器205控制，而且空气被排放到大气中。同时，燃料电池组上反应后的残余氢气被排放到燃料电池外面，但是残余氢气通过排出器208循环回流到湿度调节器202中并重新用于能源产生。
控制器214获取分别来自于探测空气电极201a入口处空气压力的空气压力传感器210、探测空气流速的空气流速传感器212、探测燃料电极201b入口处氢压力的氢压力传感器211和探测氢流速的氢流速传感器213探测到的值。随后，控制器214控制压缩机203、节流器205和可变阀门204，这样获取的探测值被分别调整到由那时的目标产生电量决定的给定目标值。而且，根据达到目标值的实际压力和流速控制器214指示和控制从燃料电池组201取出到驱动单元209的输出(电流值)。
此外，控制器214包括燃料电池停止重新启动判断单元101、燃料电极气体控制单元102和氧化剂电极气体控制单元104，如图1中所示。
在具有如图2所示结构的燃料电池中，没有控制器214控制，在停止燃料电池的事件中未采用本发明的燃料电极上氢压力和空气电极上空气压力随时间变化的情况被显示在图3的时序图中。
现在，例如，假设当电池在工作时在时间点t0由于某个原因判断停止燃料电池程序启动的条件产生。作出在时间点(t0)停止供给空气和氢的判断。响应于该判断，压缩机203停止而且节流器205对于空气系统完全打开。同时，可变阀门204关闭而且净化阀门206对于氢系统完全打开。这种方式中，空气电极上的空气压力如图3中点划线指示迅速降低。
另一方面，因为提供用于防止由于水阻塞或者类似原因造成输出降低的净化阀206有小的流速，燃料电极上氢压力如图3中实线指示的逐渐地降低。这是由于下面的事实，净化阀被供给了用于放出阻塞水的最小流速以避免操作过程中净化时压力的突然下降。
在停止燃料电池时也有净化阀没有被立即打开的情况。作为替代，在废气处理器(处理排放的氢气)被设定到准备操作后，控制净化阀为完全打开。在这种情况中，燃料电极上氢气压力的下降被进一步延迟。
因此，可能存在压力迅速降低的空气电极与压力逐渐降低的燃料电极之间的压差过多地增加的情况，如图3中所示。如果压差超出允许的限度，则可能存在燃料电池电解质恶化的情况。这里，为了防止出现大的压差，可以想到，单独提供另外一个大流速净化阀用于停止燃料电池。然而，这样的净化阀导致成本增加以及气压降低加速。因此，实现氧化剂电极先于燃料电极停止的状态是困难的。
因此，在本发明中，当燃料电池停止程序启动的判断发生时停止燃料气体的供给，同时净化阀完全打开或者继续产生能量。同时，继续供给氧化剂气体以持续压力控制，这样，氧化剂气压追踪燃料气压的变化。采用这种方法，燃料电极与氧化剂电极之间气压的压差被维持在允许压差的最大值之内。
图4是显示在通过根据本发明的燃料电池控制装置停止燃料电池的事件中燃料电极上压力和空气电极上压力随时间变化情况的时序图。在图4中，例如，假设当燃料电池工作时，在时间点t0处，判断停止燃料电池程序启动的条件发生。控制器214立即关闭可变阀204以停止燃料气体(氢)的供给，此时，控制器214完全打开净化阀206。同时，继续从压缩机203供给空气而且节流器205被调整到打开的角度，从而使空气电极上的空气压力追踪燃料电极上氢压力的变化。而且，当氢压力达到大气压力与允许压差最大值(α)的和时(该时间点称之为时间点t1)，压缩机203被停止而且节流器205完全打开，由此空气压力被控制到与大气压相等。
采用这种方法，能够防止由于氧化剂电极与燃料电极之间过大压差产生的电解质恶化。而且，还能够防止由于电流密度分布变化产生的电解质逐渐恶化，电流密度分布变化是由于过量氧形成氧化物敷层使电池内部电阻增加而产生的。
(第一具体实施方式)
下面，将参照图5、图6和图8的流程图详细描述关于图1和图2中所示结构中的第一具体实施方式的操作。图5是总体流程图，由控制器214在每个给定时间周期(例如每10ms)内执行。
首先，在S501步骤中，对停止燃料电池程序是否启动进行判断。当未处于停止燃料电池的状态时，执行步骤S502中的正常操作控制，然后操作结束。在正常操作控制中，例如，计算用于利用燃料电池组201产生驱动单元209所需电能(电流)相应的氢气压力和/或氢气流速和空气压力和/或空气流速。而且，控制压缩机203、节流器205和可变阀门204以形成这些压力值和/或流速。
如果在步骤S501中作出停止燃料电池程序启动的判断，则在步骤S503中氢控制被停止。随后，在步骤S504中，从用于探测燃料电极入口处氢压力的压力传感器211获取探测值。然后，将获取的氢压力与预定值进行比较。
该预定值指大气压与燃料电极上气压与空气电极(氧化剂电极)上气压之间允许压差α的最大值之和。这里，允许压差α的最大值是根据燃料电池结构、电解质材料和结构等等确定的值。在使用固体高分子电解质的燃料电池组的情况中，允许压差α的最大值通常比大气压小。
如果在步骤S504中氢压力被判定大于预定值，那么操作进行到步骤S505以继续控制空气电极上的压力和流速，然后操作结束。
如果在步骤S504中氢压力未被判定大于预定值，那么操作进行到步骤S506以停止空气的供给和压力控制，然后操作结束。
图6是显示图5的步骤S503中停止氢控制程序内容的详细流程图。
在步骤S601中，发出用于关闭可变阀门204的控制信号以停止氢供给。在不受S602中，燃料电极201b上氢压力由压力传感器211进行探测。在步骤S603中，计算出探测到的氢压力相应的所需产生电量。
这里，根据可变阀门下游氢气流程的体积和氢气压力之乘积计算氢的相当重量。根据氢的相当重量，预先计算氢气压力与所需产生电量之间的关系。然后，预先将关系图存储在控制器214中，这样，按那样的关系，当氢压力增加时必需产生电量增加。因此，可参照图计算所需产生电量。
同时，在包括正常发电的过程中根据产生电量计算氢压力的系统中，还可以采用正规计算方法的逆计算结构。
在步骤S604中，净化阀完全打开。从而，完成子程序过程而且操作返回到总体流程图。
图8是显示在图5的步骤S505中持续空气控制程序内容的详细流程图。
在步骤S801中，根据步骤S503中计算的所需产生电量计算发电所需的空气流速。在步骤S802中，控制实际空气流速是其与计算值相当。在步骤S803中，控制空气压力以追踪氢压力。从而，完成子程序过程而且操作返回到总体流程图。
(第二具体实施方式)
接下来，将参照图5、图7和图8的流程图详细描述关于图1和图2中所示结构中的第二具体实施方式的操作。
因为图5和图8与第一具体实施方式中相同，将只对图7进行描述。
图7是显示图5的步骤S503中停止氢控制程序内容的详细流程图。
在步骤S701中，发送关闭可变阀门204的控制信号以停止氢供给，在步骤S702中，通过压力传感器211探测燃料电极201b上的氢压力。
在步骤S703中，通过参照正常操作中使用的图进行逆计算的方法，计算相应于探测到的氢压力的所需产生电量。在步骤S704中，输出命令到驱动单元209(用于获取步骤S703中计算出的作为电能的所需产生电量)，然后程序完成。
这里，通过采用第一具体实施方式中的净化阀排除气体使燃料电极上的氢压力减小。同时，通过第二具体实施方式中相应于氢压力的发电使氢压力减小。然而，同时执行两种方式是可能的。
此外，在两个具体实施方式种，采用相应于实际氢压力的所需产生电量计算空气电极上的流速。然而，空气电极上的流速可以替代地被定义为预定值。这样的预定值可以被适当定义为足以控制空气压力的流速。
根据前述的具体实施方式，该控制装置包括判断停止燃料电池程序启动的停止程序启动判断单元101、基于来自于燃料电池停止程序启动判断单元101的输出将燃料电极上的燃料气体控制到停止状态的燃料电极气体控制单元102、探测燃料电极上气压的气压探测单元103以及氧化剂电极气体控制单元104，氧化剂电极气体控制单元104用于控制氧化剂电极上气压从而使氧化剂电极上气压与燃料电极上气压之间的压差降低到基于来自于气压探测单元103输出和来自于燃料电池停止程序启动判断单元101输出的允许的压差最大值之内，氧化剂电极气体控制单元还用于在气压探测单元103探测到的气压达到大气压与允许压差的最大值之和后将氧化剂电极上的气压控制到大气压力。因此，能够在防止电解质因燃料电极上气压与氧化剂电极上气压之间的压差而毁坏的同时迅速停止燃料电池。
而且，控制装置采用在燃料气压达到大气压与允许压差最大值之和后将氧化剂电极边的气压向下控制到大气压的结构。因此，能够确保在停止通过设定氧化剂电极上的气压低到大气压进行的控制之后防止压差超出允许压差的最大值。而且，通过设定气体控制使氧化剂电极边早于燃料电极边达到大气压的方式，能够防止由于电流密度分布变化产生的电解质逐渐恶化，电流密度分布变化是由于过多氧形成氧化物敷层使电池内部电阻增加而产生的。
而且，根据第一具体实施方式，燃料电极气体控制单元102是被设计成用于当燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序时停止燃料气体供给和打开排气阀向外排出燃料气体的单元。同时，氧化剂电极气体控制单元104是被设计用于当燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序时继续氧化剂气体的供给和允许氧化剂气体压力追踪燃料气体压力的单元。因此，当获得停止燃料电池程序启动的判断时，能够通过打开排气阀促进燃料气体压力降低和确保将燃料电极边气压和氧化剂电极气压之间的压差控制到维持在预定范围内。
而且，根据第二具体实施方式，燃料电极气体控制单元102是被设计用于通过当燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序时继续发电的方法停止燃料供给和减小燃料电极上气压的单元。同时，氧化剂电极气体控制单元104是被设计用于当燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序时继续氧化剂气体的供给和允许氧化剂气体压力追踪燃料气体压力的单元。因此，燃料气体能够通过继续发电而被消耗，由此，能够通过继续发电促进燃料气体压力降低和从燃料气体中获得电能产生。
而且，根据第一具体实施方式，氧化剂电极气体控制单元104是被设计用于当燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序时持续供给相应于预定产生电量的氧化剂气体的单元。因此，能够在执行停止程序的过程中以简单的方法按刚好的比例继续供给氧化剂气体，还能够将压力控制到所需的值。
此外，根据第一具体实施方式，在燃料电池停止程序启动判断单元101确定启动停止程序的事件中，根据燃料气体的压力可以设定预定产生电量。因此，能够在减少继续发电时间的同时迅速停止燃料电池。
在此特以参考形式结合日本专利申请2002-8762的全部内容。